DE1171084B - Optischer Verstaerker - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: H 05 b;

HOIr

Deutsche Kl.: 2Ii-90 S

Nummer: 117108.4:./

Aktenzeichen: R 35392 VIII c / 21 f

Anmeldetag: 11. Juni 1963

Auslegetag: 27. Mai 1964

Die Erfindung betrifft optische Verstärker für elektromagnetische Energie, insbesondere im Bereich des sichtbaren Lichts. Die Erfindung bezweckt insbesondere die Verminderung der erforderlichen, in das selektiv fluoreszente Medium eintretenden Eingangsleistung und somit die Erhöhung des Verstärkungsgrades derartiger optischer Verstärker.

Die theoretische Behandlung der Wirkungsweise der optischen Verstärker folgt den quantenmechanischen Absorptions- und Emissionsgesetzen für Licht. Innerhalb eines optischen Verstärkers erfolgt die Erzeugung oder Verstärkung von Mikrowellenenergie durch Wechselwirkung zwischen verschiedenen Energiezuständen der Moleküle bzw. Atome.

Die Ausgangsstrahlung eines derartigen optischen Verstärkers ist kohärent, d. h. innerhalb des Ausgangsstrahlenbündels bewegen sich Flächen gleicher Phase mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes von der Strahlenquelle weg. Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft der kohärenten Strahlung liegt in der sehr kleinen Bandbreite. Die Ausgangsstrahlung eines optischen Verstärkers ist infolgedessen monochromatisch und in einem Strahlenbündel mit geringem Querschnitt konzentriert.

Es sind bereits optische Verstärker mit einem selektiv fluoreszenten Medium im festen Aggregatzustand bekannt, welche beispielsweise aus synthetischen Rubinkristallen bestehen. Außerdem verwendet man auch gasförmige, selektiv fluoreszente Medien wie beispielsweise Helium-Neon-Gemische. Schließlich kennt man auch flüssige selektiv fluoreszente Medien. Ein optischer Festkörperverstärker wird im allgemeinen durch intensive Blitzentladungen angeregt, welche beispielsweise durch in einem Kondensator gespeicherte elektrische Energie ausgelöst werden. Diese Anregungsstrahlung wird auf das selektiv fluoreszente Medium fokussiert, in welchem sie infolge selektiver Fluoreszenz, die sich quantenmechanisch deuten läßt, in ein kohärentes Parallelstrahlenbündel umgewandelt wird.

Bei Verwendung gasförmiger selektiv fluoreszenter Medien erfolgt normalerweise die Anregung mittels radiofrequenter Strahlung. Das selektiv fluoreszente Medium absorbiert diese Strahlung und sendet bei Verwendung als Sender eine Ausgangsstrahlung in Form eines intensiven, kohärenten, monochromatischen Strahlenbündels aus.

Wenn man mit dem selektiv fluoreszenten Medium einen Rückkopplungskreis verbindet oder wenn das Medium selbst eine Rückkopplung erzeugt, erhält man bei Anregung des Mediums einen Sender. Wenn man jedoch Rückkopplungen ausschließt und statt Optischer Verstärker

Anmelder:

Raytheon Company, Lexington, Mass. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Holzer, Patentanwalt,

Augsburg, Philippine-Welser-Str. 14

Als Erfinder benannt:

Said Koozekanani, Lexington, Mass.,

Peter P. Debye, Sudbury, Mass. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 27. Juni 1962 (205 597) - -

dessen als Eingangsstrahlung kohärentes Licht vorsieht, erhält man als Ausgangsstrahlung des optischen Verstärkers ein verstärktes, kohärentes Strahlenbündel.

Die bekannten Übergangs- und Umwandlungsprozesse innerhalb des selektiv fluoreszenten Mediums brauchen im einzelnen nicht beschrieben zu werden.

Bei allen optischen Sendern oder Verstärkern und bei Molekularverstärkern überhaupt findet als wesentlicher Bestandteil ein angeregtes selektiv fluoreszentes Medium Verwendung, zwischen dessen Grenzflächen kohärente elektromagnetische Strahlung erzeugt wird. Wie bereits ausgeführt ist, kann man feste, flüssige oder gasförmige selektiv fluoreszente Medien oder auch Kombinationen derselben verwenden. In jedem Fall legen die Grenzflächen des selektiv fluoreszenten Mediums denjenigen Bereich fest, innerhalb dessen die kohärente Strahlung erzeugt wird. Man bezeichnet normalerweise diesen Bereich als Resonanzraum.

Die Erfindung schlägt einen optischen Verstärker mit längs einer gebrochenen Linie verlaufendem Strahlengang vor. Als wesentlichen Vorteil eines optischen Verstärkers nach der Erfindung mit längs einer gebrochenen Linie verlaufendem Strahlengang ergibt sich, daß der Resonanzraum eine hohe Stabilität für die Anregung sicherstellt. Der Aufbau eines solchen Verstärkers unterscheidet sich von dem Aufbau eines optischen Senders vor allem dadurch, daß die verschiedenen Abschnitte des Strahlenganges

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innerhalb des Wandlers einander nicht überdecken oder überkreuzen dürfen, sondern lediglich innerhalb verschiedener Bereiche den Resonanzraum mehrfach durchsetzen sollen. Wenn nämlich die einzelnen Abschnitte des Strahlenganges einander überdecken oder kreuzen, erhält man eine Rückkopplung, welche zur Selbstanregung von Schwingungen Anlaß gibt. Derartige Rückkopplungen und somit auch Kreuzungen und Uberdeckungen der einzelnen Abschnitte

zelnen Teilabschnitte sich nicht überkreuzen, so daß dadurch eine für die Verstärkung unliebsame Rückkopplung vermieden wird, gekennzeichnet.

Auf diese Weise erhält man einen optischen Ver-5 stärker mit einem beispielsweise gasförmigen selektiv fluoreszenten Medium, welches stabil ist und welches ziemlich ungehindert bewegt werden kann und selbst Schwingungen aushält, ohne daß eine unerwünschte Selbstanregung auftritt. Dies beruht im wesentlichen

des Strahlenganges muß man also vermeiden, damit io darauf, daß Rückkopplungswege innerhalb des die Gefahr der Selbstanregung von Schwingungen selektiv fluoreszenten Mediums ausgeschaltet sind, vermindert wird. Wenn man sämtliche Möglichkeiten Ein optischer Verstärker nach der Erfindung dient

von Rückkopplungen ausschließt, erhält man einen zur Verstärkung elektromagnetischer Energie des Verstärker mit großer Bandbreite. infraroten, sichtbaren und ultravioletten Spektral-

Man kann jeweils dann einen optischen Verstärker 15 bereiches. Es ist nicht erforderlich, den Verstärker mit längs einer gebrochenen Linie verlaufendem bei tiefen Temperaturen zu betreiben. Strahlengang aufbauen, wenn die Abmessungen der Die Verstärkung erfolgt durch die Auslösung von

Grenzfläche des Resonanzraumes groß im Vergleich Strahlungsübergängen im selektiv fluoreszenten Mezur Wellenlänge der erzeugten kohärenten Strahlung dium, welches durch eine Anregungsstrahlung zu sind. Infolgedessen kann man optische Verstärker 20 einer umgekehrten Besetzungsverteilung zweier Enermit längs einer gebrochenen Linie verlaufendem gieniveaus angeregt ist.

Dabei ist nach der Erfindung jede mögliche Rückkopplung ausgeschaltet. Die einzelnen Abschnitte des Srahlenganges überdecken oder überkreuzen sich

Strahlengang für eine kohärente Ausgangsstrahlung herstellen, welche vom ultravioletten Teil bis zum Mikrowellenteil des elektromagnetischen Spektrums

reicht. Man muß dabei jeweils die äußeren Ab- 25 nicht innerhalb des selektiv fluoreszenten Mediums.

messungen des Wandlers entsprechend festlegen.

Die meisten Resonanzräume bekannter optischer
Verstärker weisen den schwerwiegenden Nachteil
auf, daß man zwei ebene Endflächen des Resonanzraumes außerordentlich genau parallel ausrichten 3° vorzugter Ausführungsformen der muß, wodurch außerdem die mögliche Bandbreite Hand der Zeichnung. Es stellt dar begrenzt wird. Man hat bereits versucht, diese
Schwierigkeit durch Verwendung von Fabry-Perot-Interferometerplatten zu umgehen. Dabei wurde der

Die Anregung eines optischen Verstärkers nach der Erfindung erfolgt mittels Hochfrequenzenergie.

Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielsweisen Beschreibung einiger beErfindung an

Richtung 2-2 in F i g. 1,

F i g. 3 eine Ausführungsform eines optischen Verstärkers nach der Erfindung und

F i g. 4 eine weitere, abgewandelte Ausführungsform eines optischen Verstärkers nach der Erfindung.

In Fig. 1 der Zeichnung ist ein Eingangsstrahlenbündel 12 durch eine ausgezogene Linie, ein Ausgangsstrahlenbündel 14 durch eine gestrichelte Linie

F i g. 1 eine schematische Darstellung des Grundgedankens eines optischen Verstärkers nach der Erfindung mit längs einer gebrochenen Linie verlaufen-Zwischenraum zwischen dem Festkörpermedium 35 dem Strahlengang,

und den Interferometerplatten durch eine Flüssigkeit Fig. 2 eine Ansicht auf eine Spiegelfläche in

ausgefüllt. In ähnlicher Weise hat man auch optische
Verstärker mit gasförmigen selektiv fluoreszenten
Medien aufgebaut, wobei der Zwischenraum zwischen dem selektiv fluoreszenten Medium und den 4°
Interferometerplatten mit einem Gas ausgefüllt
wurde. Es hat sich jedoch gezeigt, daß ein derartiger
Aufbau außerordentlich unstabil und empfindlich
ist, da bereits sehr geringe Störungen, wie beispielsweise Schwingungen, Wärmegradienten oder kleine, 45 dargestellt. Spiegel 16 und 18 bilden die Grenzauf die Anordnung beispielsweise von Hand oder in flächen des optischen Verstärkers mit längs einer geähnlicher Weise ausgeübte Kräfte die Ausrichtung brochenen Linie verlaufendem Strahlengang. Das der Interferometerplatten stören, so daß die Reso- Eingangsstrahlenbündel 12 geht oberhalb des Spienanz des Resonanzraumes ganz verschwindet oder gels 18 vorbei und trifft im Punkt 20 auf den Spiegel unstabile Schwingungen angeregt werden, welche zu 50 16. Sodann wird es fortgesetzt in den Punkten 22, verschiedenen unerwünschten Anregungszuständen 24, 26, 28, 30, 32 usw. zwischen den Spiegeln 16 führen. und 18 hin und her reflektiert, bis es schließlich den

Die Erfindung geht aus von einem optischen Ver- Punkt 31 erreicht. Infolge der gegenseitigen Neigung stärker für elektromagnetische Strahlung im infra- der Spiegel kehrt sich die Richtung der Versetzung roten, sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich 55 der einzelnen Abschnitte des Strahlenganges zwimit einem durch eine Anregungslichtquelle angereg- sehen den verschiedenen Hin- und Hergängen um, ten, selektiv fluoreszenten Medium, das zwischen im so daß das Strahlenbündel in den Punkten 32, 34, wesentlichen parallelen, einander gegenüberstehen- 36, 38, 40, 42 und 44 reflektiert wird. Schließlich den Spiegeln angeordnet ist oder selbst spiegelnde verläßt das verstärkte Ausgangsstrahlenbündel 14 Wände hat. Ein derartiger optischer Verstärker ist 60 das selektiv fluoreszente Medium, erfindungsgemäß durch eine von der genauen Par- Die in F i g. 1 erscheinenden verschiedenen Kreuzungspunkte der verschiedenen Strahlengangabschnitte sind nur scheinbar, wie sich aus der in F i g. 2 der Zeichnung dargestellten Ansicht ergibt, einen anderen Teil desselben, und zwar derart, daß 65 Kein innerhalb des Wandlers verlaufender Abschnitt auf dem größten Teil des innerhalb des selektiv des Strahlengangs kreuzt sich mit einem anderen

allelität abweichende Anordnung der Spiegel 16, 18
zum Umlenken des Eingangsstrahlenbündels von
einem Teil des selektiv fluoreszenten Mediums auf

fluoreszenten Mediums für das zu verstärkende
Strahlenbündel bestimmten Strahlenganges seine einAbschnitt. Infolgedessen ist die Möglichkeit von Rückkopplungen ausgeschaltet, so daß bei einem

optischen Verstärker nach der Erfindung keine selbstangeregten Schwingungen auftreten können. Ein optischer Verstärker nach der Erfindung arbeitet infolgedessen nicht als Sender sondern nur als Verstärker.

F i g. 3 der Zeichnung zeigt eine vollständige Ausführungsform eines optischen Verstärkers nach der Erfindung. Ein Resonanzraum 48 besteht beispielsweise aus Glas oder einem ähnlichen Material, welches das über einen Anschlußstutzen 56 zugeführte selektiv fluoreszente Medium enthält. Die Spiegel 16 und 18, welche den in F i g. 1 dargestellten Spiegeln entsprechen, sind an gegenüberliegenden Enden des Resonanzraumes angeordnet. Über den Resonanzraum 48 sind Metallmanschetten 50, 52 und 54 beispielsweise aus Aluminium, Kupfer oder Silber geschoben und mittels einer Koaxialleitung 64 an eine Anregungsstrahlungsquelle 68, beispielsweise an einen Hochfrequenzsender, angeschlossen. Der äußere Leiter der Koaxialleitung 64 ist über die Verbindungsleitungen 58 und 60 mit den Manschetten 50 und 54 verbunden, welche infolgedessen hochfrequenzmäßig geerdet sind. Der innere Leiter 62 ist unmittelbar an die Manschette 52 angeschlossen, welcher infolgedessen die Hochfrequenzspannung zugeführt wird.

Das Eingangsstrahlenbündel 12 verläuft oberhalb. des oberen Randes des Spiegels 18, welcher gegenüber der Achse des Resonanzkörpers 48 geneigt ist. Infolgedessen wird das Strahlenbündel zwischen den Spiegeln 16 und 18 fortgesetzt hin und her reflektiert und dabei seitlich versetzt. Schließlich kehrt sich die Richtung dieser seitlichen Versetzung um. Nach einer großen Anzahl von Reflexionen verläßt das verstärkte Ausgangsstrahlenbündel 14 das selektiv fluoreszente Medium und erreicht einen beliebigen, nicht dargestellten Empfangskreis. Der optische Verstärker nach der Erfindung arbeitet also in ähnlicher Weise wie ein Verstärker in einem Radioempfänger, dessen Ausgangsspannung an eine Mischstufe, einen Zwischenfrequenzverstärker, einen Gleichrichter und einen Niederfrequenzverstärker weitergegeben wird.

Mit dem verstärkten kohärenten Licht kann man selbstverständlich einen jeweils geeigneten und gewünschten Empfangskreis betreiben.

Eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung zeigt Fig. 4 der Zeichnung. - Die mehrfache Überkreuzung der verschiedenen Abschnitte des Strahlenganges ist nur scheinbar. Die Richtung des Eingangsstrahlenbündels steht nicht genau senkrecht zur Richtung der Achse des prismatischen Wandlerkörpers, so daß die verschiedenen Teilabschnitte des Strahlenganges in Achsrichtung des prismatischen Wandlerkörpers gegeneinander versetzt sind.

Im einzelnen trifft das Eingangsstrahlenbündel 12 nacheinander auf Reflexionsflächen 72, 74, 76 und 78 und verläßt schließlich das selektiv fluoreszente Medium durch eine Begrenzungsfläche 80. Dieses Ausgangsstrahlenbündel 14 ist verstärkt. Die äußeren Abmessungen des Resonanzhohlraumes 70 sind durch die Grund- und Deckfläche sowie durch die Spiegelflächen 72, 74, 76, 78 und 80 festgelegt.

Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird die Hochfrequenzenergie zweckmäßigerweise kapazitiv an den Resonanzraum angekoppelt. Zu diesem Zweck überzieht man die Grund- und Deckfläche des Resonanzraumes 70 mit einer dünnen, leitenden Schicht. Man kann dann den Innenleiter eines Koaxialkabels an die eine leitende Schicht, den Außenleiter des Koaxialkabels an die andere leitende Schicht anschließen.

Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf optische Verstärker mit gasförmigem selektiv fluoreszentem Medium beschränkt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann jedes feste, flüssige oder gasförmige selektiv fluoreszente Medium Verwendung finden. Als feste selektiv fluoreszente Medien kommen vor allem in Betracht: natürliche oder künstliche Rubinkristalle, Kristalle, welche Elemente der Lanthanidengruppe enthalten, insbesondere mit Neodym aktiviertes Barium-Kronglas, mit Praseodym aktiviertes Kalziumwolframat, mit Neodym aktiviertes Kalziumwolframat, mit Samarium aktiviertes Kalziumfluorid, mit Dysprosium aktiviertes Kalziumfluorid, mit Holmium aktiviertes Kalziumwolframat, mitErbium aktiviertes Kalziumwolframat, mit Thulium aktiviertes Kalziumfluorid und mit Thulium aktiviertes Kalziumwolframat. Außerdem ist auch mit Uran aktiviertes Kalziumfluorid als selektiv fluoreszentes Medium brauchbar.

Als gasförmige selektiv fluoreszente Medien kommen insbesondere Alkalimetalldämpfe, nämlich Lithium-, Natrium-, Kalium-, Rubidium- oder Caesiumdämpfe, sowie Helium-Neon-Mischungen in Betracht.

Als flüssige selektiv fluoreszente Medien kann man Zweikomponentenmischungen verwenden, in welchen der sogenannte Overhauser-Effekt auftritt, welcher sich insbesondere in niederviskosen Flüssigkeiten zeigt und zu einer höheren Besetzungszahl eines oberen Energiezustandes führt. Eine derartige Flüssigkeit ist beispielsweise Tetrachlorosemichinon.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Optischer Verstärker für elektromagnetische Strahlung im infraroten, sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich mit einem durch eine Anregungslichtquelle angeregten selektiv fluoreszenten Medium, das zwischen im wesentlichen parallelen, einander gegenüberstehenden Spiegeln angeordnet ist oder selbst spiegelnde Wände hat, gekennzeichnet durch eine von der genauen Parallelität abweichende Anordnung der Spiegel (16, 18) zum Umlenken des Eingangsstrahlenbündels von einem Teil des selektiv fluoreszenten Mediums auf einen anderen Teil desselben, und zwar derart, daß auf dem größten Teil des innerhalb des selektiv fluoreszenten Mediums für das zu verstärkende Strahlenbündel bestimmten Strahlenganges seine einzelnen Teilabschnitte sich nicht überkreuzen, so daß dadurch eine für die Verstärkung unliebsame Rückkopplung vermieden wird.

2. Optischer Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem stabförmigen, ein selektiv fluoreszentes Medium enthaltenden Resonanzkörper (48), der mittels Koppelgliedern (50, 52, 54) an eine Anregungsenergiequelle angeschlossen ist, die zur mehrfachen Reflexion des zu verstärkenden Strahlenbündels (12) zwischen Eingang und Ausgang des selektiv fluoreszenten Mediums dienenden Spiegel (16, 18) zwar, wie üblich, im wesentlichen senkrecht zu der Achse des selektiv fluoreszenten Mediums ausgerichtet sind, aber bewußt leicht verkantet

gegeneinander aufgestellt sind, so daß ein unter spitzem Winkel beispielsweise von rechts oben eingegebener Strahl (12, 14) nach Durchlaufen des gesamten selektiv fluoreszenten Mediums, dasselbe verstärkt nach links oben wieder verläßt.

3. Optischer Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der, das selektiv fluoreszente Medium einschließende bzw. durch das selektiv fluoreszente Medium gebildete Re-

sonanzkörper als rechtwinkliges Prisma (70) mit einem regelmäßigen gleichseitigen «-Eck als Basis mit reflektierenden Seitenwänden (72, 74, 76, 78) ausgebildet ist und daß die Einfallsrichtung der Eingangsstrahlen nicht ganz senkrecht auf der Prismenachse steht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Radio Mentor, Aprilheft 1962, S. 304, Abb. 9;
Electronics, vom 27.10. 1961, S. 44, Fig. 5.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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